چکیده :

در زمان زلزله، سازه های مختلف رفتارهای گوناگونی از خود نشان می دهند، اما یکی از فاکتورهای مهم در تمامی آن ها شکل پذیری اسـت. در سازه های بتنی به علت ترد بودن، انعطاف کمتری را شاهد هستیم که باید در تعمیر، تقویت و بهسازی این سازه ها روش هـایی اسـتفاده شود که با قبول خسارات جزئی پایایی سازه حفظ در نتیجه بهره برداری از آن مختل نشود. یکی از نقاط کلیدی سازه های قاب خمشی بـتن آرمه، اتصال تیر به ستون است، که شکست برشی در نزدیکی همین اتصال رخ می دهد و در صورت گسترش تـرک هـای ایـن ، ریختگـی و لاغری آن ها پایداری سازه حتی در مواردی تا پایان زمان زلزله مورد تردید است.

در این مقاله تحقیقات انجام گرفته در خصوص عملکرد اتصالات سازه های بتنی بررسی مـی شـوند؛ سـپس دو روش جدیـد ابـداعی توسـط محققان این مقاله معرفی شده، که یکی به صورت میراگر انرژی بوده که حالت شکسـت برشـی را بـه حالـت خمـش نزدیـک کـرده و شـکل پذیری بیشتری را به سازه تحمیل می کند در نتیجه قسمتی از انرژی میرا می شود. در روش دیگر کمربند محافظتی اطراف اتصـال تیـر بـه ستون نصب می شود که در صورت شکست برشی عمده، مقاومت این ناحیه تضمین شود تا توانایی گـره اتصـال بـرای انتقـال نیـروی ثقلـی اعمال شده از تیر به ستون بالا رفته در نتیجه سازه بتواند پس از زلزله و نیروهای مخرب سرپا باقی بماند.

واژه های کلیدی : زلزله، شکل پذیری، اتصال تیر به ستون، بهسازی، میراگر، کمربند محافظتی

مقدمه

مقاوم سازی اتصال تیر به ستون در قاب های خمشی ساده بسیار حائظ اهمیت است. در زمان اعمـال نیروهـای جـانبی چـون زلزله در این نقاط ترک ها و برشهای بسیاری را شاهد هستیم که می تواند نظم حرکتی و شکل پذیری را مختل کنـد، در ایـن صورت سازه نمی تواند پایداری خود را حفظ کرده و حتی می توان این حالت را در ادامه به مرگ ناگهانی سازه تشـبیه کـرد و علت را در ضعف نقاط اتصال تیر به ستون دریافت. در قابهای خمشی به علت نبود سیستم برشگیر کـه معمـولا در بسـیاری از سازه ها از نوع دیوار بتنی هستند، عملکرد سازه با شکل پذیری کم و ضعف گره اتصال همراه بوده و به علت ترد بـودن مقـاطع بتنی و جمع شدن ترک های برشی در ناحیه اتصال تیر به ستون، سازه وارد بحران می شود که این بحران می تواند به ویرانـی کل سازه منجر شده و در بدترین حالت در پایان زلزله حتی شاهد منظره ای از چند صفحه سقف و تیر روی هم باشیم ، در این منظره خبری از ستون ها در جای خود نیست.

بر طبق مستندات گردآوری شده، اولین تحقیقات و بررسی های صورت گرفته در این زمینه مربوط به دهه ۶۰ مـیلادی اسـت. در اواخر دهه ۸۰ میلادی اولین گردآوری آیین نامه طراحی و محاسبات زلزله ای اتصالات تیر به ستون سازه های بتنی شـکل پذیر ارائه شد و می توان گفت هر ساله تحقیقات زیادی درباره مشکلات این اتصالات در بسـیاری از کشـورها انجـام شـده کـه موجب تکمیل تر شدن این آیین نامه می شود.

ناحیه اتصال

این ناحیه به محل اتصال تیر به ستون گفته می شود که برای رسیدن به یک رفتار شکل پذیر،اغلب با ترک خوردگی و کـاهش مقاومت همراه است.

دلایل و علت ها

در بررسی دلایل و علت های این مشکلات می توان به موارد بسیاری اشاره کرد، اما به ۳ دلیل مهم در اینجا اکتفا می نماییم.

الف) کم بودن آرماتور برشی در ناحیه اتصال تیر به ستون:

در طراحی تیرها باید اصولی را رعایت کرد ، به طوری که می توان با آرماتور برشی( خاموت) ترک ها را به ناحیه وسط راهنمایی تا مفصل پلاستیک در وسط تیرها ایجاد شود و از تمرکز ترک های برشی در ناحیه اتصال به ستون ها جلوگیری کـرد، در ایـن صورت تیر ها می توانند حالت خمشی به جای شکست برشی داشته باشند.

ب) بتن قوی تر:
یکی از اشکالات که در بسیاری از موارد در اجرای این سازه ها می توان دید و مورد چشم پوشی قرار گرفته می شود این است که بتن ستون ها در کارگاه های ساختمانی بدون دقت و رعایت کوچکترین اصول بتن ریزی ریخته و هر قسمت از ستون حتی با عیارهای مختلف ساخته می شوند که باعث مقاومت غیر یکسان قسمت های مختلف ستون ها می شود اما در همین کارگـاه ها به علت حجیم بودن بتن ریزی تیرها و سقف ها از بتن های آماده استفاده شده که اینطور می توان گفت که در ساخت بتن آماده طرح اختلاط و رعایت قوانین بیشتر رعایت می شود. همین عامل باعث می شود بتن با کیفیت تری نسبت به بتن ستون ها در تیرها و دال ها استفاده شود،در نتیجه می توان گفت که بتن استفاده شده در این ناحیه ها از مقاومت بالاتری برخـوردار هستند.

ج) ستون ضعیف- تیر قوی:

می توان به این شکل این علت را بررسی کرد که ستون ها در قاب خمشی ساده تنها منتقل کننده های نیرو به سـمت زمـین هستند و اگر تیرها قوی و سطح مقطع بزرگتری نسبت به ستون ها داشته باشند ایجاد لنگر بیشتری کرده و ستون های لاغـر

۲

قادر به جوابگویی به این لنگرها نبوده و شکست های برشی بسیاری را در ناحیه گره اتصال پدید می آورد که باعث چسبندگی کمتر تیر به ستون می شود و این اتفاق در حرکات رفت و برگشتی زلزله می تواند باعث از هم گسیختگی شود.

تاریخچه حدود ۵۰ سال اخیر قاب های خمشی در زلزله های جهان

در تحقیقات بدست آماده از زلزله های جهان در ۵۰ سال گذشته، می توان گفت شکست اتصالات، دلیل اصلی ویرانی بسیاری از سازه های بتنی قاب خمشی دانست و به طور کلی سیستم تیرها به صورت خمشی نبوده و قاب ها نمی توانند شکل پـذیری مناسبی را داشته باشند.

اولین گزارش در این مورد مربوط به زلزله ماه می سال ۱۹۶۰ در شیلی و ماه ژوئیه سال ۱۹۶۳ یوگسلاوی سابق است که نشان داد قاب های خمشی به تنهایی قادر به پاسخگویی در برابر نیروهای مخرب نبوده و در ساختمان هایی کـه از سیسـتم دیگـری مانند دیوار برشگیر استفاده شده خسارات به حداقل رسیده است.

در زلزله سال ۱۹۷۱ سن فرناندو کالیفرنیای آمریکا ساختمان ۸ طبقه بیمارستان Holly Cross بـه دلیـل اینکـه از سیسـتم قاب خمشی تنها در آن بکار رفته بود به شدت آسیب دید و نهایتا تخریب شـد،اما در کنـار ایـن بیمارسـتان، سـاختمان مرکـز پزشکی Indian Hill در ۶ طبقه قرار داشت که به دلیل خط دفاع دوم که آن یک سیستم مرکب قاب و دیوار برشی بـود کـه بعد از زلزله تنها نیاز به ترمیم داشت.

زلزله ماه اکتبر سال ۱۹۸۵ مکزیکوسیتی مکزیک به خوبی عواقب استفاده از قاب خمشی ساده بدون سیستم زلزله بر و عـدم مقاوم سازی مشخص شد. در این زلزله حدود ۲۸۰ ساختمان چندین طبقه به طور کامل تخریب شدند.

در ارمنستان زلزله ماه دسامبر ۱۹۸۸ دلیل دیگری بر استفاده از قاب خمشی ساده بدون مقاوم سازی و سیستم دیگر زلزله بـر در ساختمان های چندین طبقه بود،در این زلزله ۷۲ ساختمان به کلی ویـران و حـدود ۱۴۹ سـاختمان در ۴ شـهر ارمنسـتان دچار آسیب های جدی شدند.

زلزله ایزمیت ترکیه در ۱۷ اوت سال ۱۹۹۹ در کشوری که درصد بالایی از ساختمان ها با استفاده از بـتن مسـلح سـاخته مـی شوند. در این زلزله بیش از ۱۳۰ هزار ساختمان آسیب دیدند، از این تعداد بیش از ۴۱ هزار واحد خسـارات شـدید تـا تخریـب داشتند. در بیشتر قاب های خمشی ساده بتنی، شکست در ستون ها و گره اتصال دیده شده و رعایـت نکـردن فلسـفه سـتون قوی- تیر ضعیف و همچنین وجود طبقه نرم در این سازه ها از دیگر علت های ویرانی بسیاری از سازه ها دانست. (شکل (۱ در مورد شکست ها در گره اتصال اینطور می توان گفت، عدم دقت کافی در طراحی این قسمت به شکسـت آن منجـر شـده و همچنین در مورد شکست در تیرها، عدم بکارگیری خاموت گذاری به ویژه در نواحی ابتدایی و انتهـایی تیرهـا باعـث شکسـت برشی بیشتر از ظرفیت تیر شده بودند.

زمین لرزه استان وان ترکیه در ۲۳ اکتبر ۲۰۱۱ دلیل دیگری بر ناپایداری و ریسک بالای قاب خمشی ساده است. در این زلزله هم شاهد تخریب های بسیاری به علت شکست گره اتصال و شکل پذیری نامناسب این سازها بودیم که شکست گـره اتصـال و ترک های بوجود آمده (شکل (۲ بسیاری در نزدیکی این اتصال بسیاری از ساکنان این ساختمان ها را به کام مرگ برد. جالـب است بدانیم تیرها بیشتر در نزدیکی اتصال تیر به ستون شکست برشی زیادی داشته اند که در مـوارد زیـادی باعـث جداشـدن کامل ستون ها از تیرها شده که حتی خود ستون ها نیز در زیر تیرها و دال ها به همراه ساکنان ساختمان مدفون شده اند.

۳

شکل : ۱ شکست گره اتصال – ایجاد طبقه نرم

شکل : ۲ عدم شکل پذیری مناسب سازه و شکست گره اتصال

افزایش ظرفیت گره اتصال با استفاده از سیستم های برشگیر

یکی از راه حل ها تعبیه سیستم های برشگیر به این سازه ها جهت جلـوگیری از شکسـت برشـی در اثـر شـکل پـذیر نبـودن اتصالات با بهبود کنترل برش ها و لنگر های سازه ای، می توان از ایجاد فشار زیاد به گره اتصال تا حدود زیادی جلوگیری کرد. معمولا سه نوع سیستم برشگیر را می توان به این سازه ها اضافه کرد تا ظرفیت گره اتصال بالا برود.

این ۳ نوع سیستم به ترتیب فاکتورهایی مانند: فراگیر بودن، بازدهی و روش های اجرایی بیان شـده کـه معمـولا بـرای مقـاوم سازی قاب های خمشی بتنی کاربرد بسیاری دارند.